一種超高強(qiáng)度超高韌性石油套管及其tmcp制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及石油套管技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超高強(qiáng)度超高韌性石油套管及其 TMCP制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，深井、超深井油氣資源的開采對(duì)于套管強(qiáng)度的要求顯著提高，但材料的硬度 會(huì)相應(yīng)地增大，材料的韌性也會(huì)逐漸下降，并且材料對(duì)表面缺陷的敏感程度會(huì)進(jìn)一步地增 大。開采深井、超深井用的套管對(duì)強(qiáng)度和韌性要求很高，在滿足高強(qiáng)度的同時(shí)要盡可能提高 其韌性指標(biāo)，以保證生產(chǎn)使用的安全性。
[0003] 但是，強(qiáng)度高的鋼通常其塑性和韌性較低，要使得鋼具有較高的塑性和韌性，就必 須降低鋼的強(qiáng)度。為此，兼具較高韌性和較高強(qiáng)度的鋼材料的開發(fā)難度極大。相關(guān)指導(dǎo)文件 指出，用于壓力容器的高強(qiáng)度鋼的沖擊韌性需要達(dá)到其屈服強(qiáng)度的10%。由此，國(guó)內(nèi)各大油 田，例如塔里木油田，也對(duì)深井、超深井用套管的性能提出了相同的標(biāo)準(zhǔn)，然而，現(xiàn)有的強(qiáng)度 140ksi(屈服強(qiáng)度965MPa)以上的高強(qiáng)鋼的沖擊韌性遠(yuǎn)低于這一標(biāo)準(zhǔn)。
[0004] 中國(guó)專利CN101586450A公開了具有高強(qiáng)度和高韌性的石油套管及其制造方法，其 化學(xué)元素成分為:C:0.22~0.4%，Si :0.17~0.35%，Μη:0.45~0.60%，Cr :0.95~1.10%， Mo:0.70~0.80%，Al:0.015~0.040%，Ni〈0.20%，Cu〈0.20%，V:0.070~0.100%，Ca> 0.0015%，P〈0.010%，S〈0.003%，余量為鐵。該中國(guó)專利文獻(xiàn)還提供制造該石油套管的方 法，其步驟包括有:配料冶煉;連鑄連乳以及管加工，未采用TMCP工藝(控乳控冷工藝）。該鋼 種的強(qiáng)度達(dá)到1 lOOMPa，但是其橫向沖擊韌性僅為90J，韌性指標(biāo)較低。
[0005] 日本專利JP04059941A指出通過(guò)熱處理工藝來(lái)控制鋼基體中殘余奧氏體（20~ 45%)和上貝氏體的比例，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到120-160ksi。該專利化學(xué)成分設(shè)計(jì)特點(diǎn)是高 碳和高硅，此兩種成分可以顯著提高強(qiáng)度，但也會(huì)顯著降低韌性，同時(shí)殘余奧氏體會(huì)在石油 管使用過(guò)程中發(fā)生組織發(fā)生轉(zhuǎn)變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種超高強(qiáng)度超高韌性石油套管及其TMCP制造方法，該石 油套管具有超高強(qiáng)度和超高韌性，其屈服強(qiáng)度為965~1173MPa，抗拉強(qiáng)度2 1034MPa，延伸 率2 20%，0°C橫向夏比沖擊功2 120J，韌脆轉(zhuǎn)變溫度< -70°C，可以滿足深井、超深井油氣 田對(duì)油井管提出的強(qiáng)度和韌性的要求。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0008] -種超高強(qiáng)度超高韌性石油套管，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為:C:0.1~0.22%，Si : 0.1~0.4%，Mn:0.3~l%，Mo:0.2~0.6%，Nb:0.02~0.04%，V :0.05~0.15%，Ti:0.02~ 0.05%，Β:0·0015~0.005%，A1:0.01~0.05%，N< 0.008%，P< 0.015%，S< 0.003%，其 余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，且上述元素同時(shí)需滿足如下關(guān)系:0〈(Ti-3.4NH 0.02%，10 < Ti/B< 20。
[0009] 進(jìn)一步，所述超高強(qiáng)度超高韌性石油套管的屈服強(qiáng)度為965~1173MPa，抗拉強(qiáng)度 2 1034MPa，延伸率2 20%，0°C橫向夏比沖擊功M20J，韌脆轉(zhuǎn)變溫度<-70°C。
[0010] 所述超高強(qiáng)度超高韌性石油套管的微觀組織為回火索氏體。
[0011] 本發(fā)明所述化學(xué)成分的設(shè)計(jì)原理為：
[0012] C:C為碳化物形成元素，其可以提高鋼的強(qiáng)度。當(dāng)C含量低于0.1 %時(shí)，會(huì)使得鋼的 淬透性降低，從而降低鋼的韌性，然而，當(dāng)C含量高于0.22%時(shí)，則會(huì)顯著地惡化鋼的偏析， 從而也會(huì)造成鋼的韌性的降低。為了達(dá)到石油套管的高強(qiáng)度高韌性的要求，本發(fā)明將C含量 控制為0.1~0.22 %。
[0013] Si :Si固溶于鐵素體，其可以提高鋼的屈服強(qiáng)度，但是Si的添加量不宜過(guò)高，太高 的Si會(huì)惡化鋼的加工性和韌性，低于0.1%的Si會(huì)使得石油套管容易氧化，因此，本發(fā)明將 Si含量控制為0.10~0.40%。
[0014] Μη:Μη為奧氏體的形成元素，其可以提高鋼的淬透性。在本發(fā)明鋼種體系中，當(dāng)Μη 含量小于0.3%時(shí)，鋼的淬透性會(huì)顯著降低，從而降低鋼中馬氏體的比例，進(jìn)而降低鋼的韌 性；當(dāng)Μη含量大于1%時(shí)，鋼中的組織偏析又會(huì)顯著增加，由此，會(huì)影響熱乳組織的均勻性和 沖擊性能。基于這一原因，本發(fā)明將Μη含量控制在0.6~1 %。
[0015] V:V是典型的析出強(qiáng)化元素，可彌補(bǔ)因碳降低而引起的強(qiáng)度的下降，V含量小于 0.05 %時(shí)強(qiáng)化效果難以使材料達(dá)到140ksi，高于0.15 %時(shí)容易形成粗大的V(CN)，從而降低 韌性。因此，本發(fā)明將V含量控制在0.05~0.15 %。
[0016] M〇:M〇主要是通過(guò)碳化物及固溶強(qiáng)化形式來(lái)提高鋼的強(qiáng)度及回火穩(wěn)定性。本發(fā)明 中，由于碳含量較低，因此，當(dāng)添加 Mo的含量超過(guò)0.6%時(shí)，Mo難以與C形成更多的碳化物析 出相，這樣會(huì)造成添加合金的浪費(fèi)。但一旦Mo含量低于0.2%時(shí)，則石油套管的強(qiáng)度就無(wú)法 達(dá)到高強(qiáng)度的要求。因此，本發(fā)明將Mo含量控制在0.2~0.6 %。
[0017] Nb:Nb是鋼中細(xì)晶和析出強(qiáng)化的元素，可彌補(bǔ)因碳含量降低而引起的強(qiáng)度下降。當(dāng) Nb含量小于0.02%時(shí)，其添加作用并不明顯，當(dāng)Nb含量大于0.04%時(shí)，其則容易形成粗大的 Nb(CN)，從而降低鋼的韌性。因而，本發(fā)明將Nb含量控制為0.02~0.04%。
[0018] Ti:Ti是強(qiáng)碳氮化物的形成元素，其能夠顯著地細(xì)化鋼中奧氏體晶粒，可以彌補(bǔ)因 碳含量降低而引起的強(qiáng)度下降。若Ti含量>0.05%，容易形成粗大的TiN，這樣會(huì)降低材料 的韌性;若Ti含量<0.02%，Ti則不能充分地與N反應(yīng)形成TiN，則鋼中的B就會(huì)與N反應(yīng)形成 BN的脆性相，從而降低材料的韌性。因此，本發(fā)明將Ti含量控制為0.02~0.05%。
[0019] B:B也可以顯著提高鋼的淬透性的元素。在C含量低的鋼種中，B元素可以解決因 C 含量降低而帶來(lái)的淬透性差的問(wèn)題。然而，當(dāng)B含量低于0.0015%時(shí)提高鋼的淬透性的作用 并不顯著；當(dāng)B含量高于0.005%，則易于形成BN脆性相，從而降低鋼的韌性。因此，本發(fā)明將 B含量控制為0.0015~0.005%。
[0020] A1:A1是良好的脫氧固氮元素，可細(xì)化晶粒，本發(fā)明控制A1含量為0.01~0.05%。 [0021]與此同時(shí)，由于B元素與N元素結(jié)合能力較強(qiáng)，會(huì)形成BN脆性相而降低鋼材的韌性 指標(biāo)，因此，本發(fā)明加入Ti元素形成TiN來(lái)固定材料中的N元素，根據(jù)質(zhì)量配比，要求％!；!':^ 3.4NH 0.02%，但當(dāng)Ti/B〈10時(shí)，B元素會(huì)形成部分NB脆性相，Ti/B>20時(shí)，Ti元素會(huì)形成粗 大的TiN或TiC，降低韌性。因此，為了保證Ti和N的充分結(jié)合，以避免B和N形成BN脆性相而降 低鋼材的韌性指標(biāo)，本發(fā)明中Ti、B和N還需要滿足如下公式:0〈(Τ?-3.4Ν)<0.02%，10< Ti/B< 20。
[0022]本發(fā)明所述的超高強(qiáng)度超高韌性石油套管的TMCP制造方法，其包括如下步驟： [0023] 1)冶煉、連鑄
[0024] 按照上述化學(xué)成分進(jìn)行冶煉、連鑄成圓坯，其中，連鑄過(guò)程中控制鋼水，連鑄拉速 為1.6~2.0m/min;
[0025] 2)穿孔
[0026] 圓坯在1200~1240°C下均熱，均熱后穿孔，穿孔溫度為1180~1240°C;
[0027] 3)乳制、定徑
[0028] 終乳溫度為900~950°C，終乳后進(jìn)行定徑，定徑溫度為850~900°C;
[0029] 4)冷卻
[0030] 水冷，冷卻速度為10~20°C/s，冷卻至室溫；
[0031] 5)熱處理
[0032] 淬火熱處理:淬火溫度為850~880°C，保溫30~60min;
[0033] 回火熱處理：回火溫度為500~550°C，保溫時(shí)間50~80min;
[0034] 最后，450~500°C下熱定徑。
[0035] 在本發(fā)明的制造工藝中：
[0036] 本發(fā)明所述連鑄步驟中，為改善偏析以提高韌性指標(biāo)，